JP2011204709A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静電吸着を用いたプラズマ処理装置において、試料の反り有無による吸着力の低下と処理する試料と下部電極の熱伝達に用いるヘリウムガスのもれを改善する手段を得る。
【解決手段】プラズマ処理装置において、プラズマ処理室内の電極表面の外周部に、内側よりも高く、静電吸着力を維持できる段差を設けることで、静電吸着力低下の抑制と電極の熱伝達に用いるヘリウムガスのもれを低減する電極を備えた。また、プラズマ処理を実施する前に試料裏面を窒素ガスブローもしくは水洗洗浄で試料の裏面に付いたゴミを除去することで、電極の熱伝達に用いるヘリウムガスのもれを低減する過程を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電吸着を用いて試料（ウエハ）と電極（ステージ）を吸着させる機構を有するプラズマ処理装置に係り、特に試料の反りによって生じる熱伝達ガスの漏れを抑制するのに好適なプラズマ処理装置に関するものである。

プラズマ処理装置において、試料と電極を吸着・保持させるには静電吸着という手法が広く用いられている。静電吸着とは、試料と電極の電位差に基づく静電気力により試料を吸着・保持する手法である。また、試料と電極との間には、熱伝達率を向上させるためにヘリウム等の熱伝達ガスが導入されている。それにより試料を任意の温度に制御することが可能となる。

半導体デバイスの製造工程は、通常厚さ約０．６ｍｍと薄いＳｉ基板に対し、洗浄、熱処理、不純物導入、膜形成、平坦化などの工程を繰り返して任意のデバイスを製造している。そのため、Ｓｉ基板などの試料は製造工程を重ねて行く毎に、幾度となく高温に晒され、熱膨張と収縮を繰り返す。通常半導体デバイスは、片面のみパターン回路を形成するため、試料はパターン回路形成側へと反りが生じてくる。

この凹型形状へと変形した試料を、例えば特許文献１に示すように、平面な電極を用いてエッチング処理を実施した場合、電極表面と試料の間の外周部には隙間が生じて、熱伝達に用いるヘリウムガスが漏れてしまい、試料を任意の温度に制御する事が困難となっていた。

また、特許文献２では、電極の外周に設置する絶縁リングの高さが電極より高く設置されており、試料の弾性変形によって試料は電極へ吸着・保持される事が開示されているが、試料と電極との間に隙間が生じており、試料と電極は絶縁状態にあるため、静電吸着による試料の吸着・保持が困難となっていた。

また、特許文献３には、ウエハ載置面よりも外周側の誘電体層の表面がウエハ載置面よりも高く形成されるセラミック焼成体が開示されている。

特開２００４−２７３５３３号公報 特開平１１−８７３１５号公報 特開２００７−２８８１５７号公報

試料は、前記のような製造工程を経て行くに従って、凹型へと反っていく。反りが生じた試料を電極へ吸着させると、電極表面と試料の間の外周部から熱伝達に用いるヘリウムガスが漏れてくる。そのため、例えばエッチング装置を用いたエッチング処理においては、電極表面と試料の間のヘリウムガスが不均一な圧力分布となり、試料の面内温度分布が不均一となる。その為、処理後のエッチング形状が試料面内において不均一になってしまうという問題が生じていた。

そこで本発明の目的は、電極と試料を吸着させた際、試料の反りの有無に関わらず、試料の外周部が電極に接触し、外周部からヘリウムガスの漏れを抑制することができるプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的は、電極表面の外周部に内側よりも１０〜３０μｍの高い段差を設け、試料と電極の空間部を少なくし、電極外周部の幅を２〜５ｍｍ、面粗さＲａを０．５μｍ以下にする事により達成される。

また、プラズマ処理を実施する前に試料裏面を窒素ガスブローもしくは水洗洗浄で試料の裏面に付いたゴミを除去する事により、ヘリウムガス漏れを防止できる。

上記解決手段によれば、下部電極外周部と試料との間に隙間が生じないため、ヘリウムガスの漏れを抑制することが可能となり、試料の面内温度分布への影響を低減する事ができる。そのため、例えばエッチング処理を行った際に、試料面内におけるエッチング形状を同一にする事ができる。

図１は本発明のプラズマ処理装置を示す平面図である。 図２は本発明のプラズマ処理室を示す平面図である。 図３は外周のみに段差を設けた下部電極を示す平面図である。 図４は平坦な下部電極を示す平面図である。 図５は本発明の下部電極を示す平面図である。 図６は本発明の下部電極の製造過程である。

以下、本発明に用いるプラズマ処理装置を図１〜図２を用いて説明する。図１は、本発明に使用したプラズマ処理装置の装置構成を示す。図１において、本発明に用いるプラズマ処理装置１は、真空搬送装置２、ロードロック室３、アンロードロック室４、大気搬送装置５、大気ローダ６、プラズマ処理室９、洗浄・乾燥装置１４、カセット７、カセット台８で構成される。

プラズマ処理装置１は、Ｓｉ基板上にパターン回路が形成された試料を、真空減圧下で、プラズマ形成用ガスの供給後、ガスプラズマを発生し、Ｓｉ基板上に形成された材料を処理する。なお、プラズマ発生方式としては、誘導結合型プラズマ方式、マイクロ波プラズマ方式、ＵＨＦ波プラズマ方式等がある。

一般的なプラズマ処理手順は、カセット台８に載置したカセット７から試料を取り出し、大気搬送装置５でロードロック室３に搬送され、ロードロック室３の内部で減圧された後、真空搬送装置２によって減圧したプラズマ処理室９に搬送され、電極１０に試料が載せられ、プラズマ処理が行われる。

プラズマ処理が終わった後、試料は真空搬送装置２によってアンロードロック室４に搬送され、アンロードロック室４が大気圧に戻された後、大気搬送装置５によって、洗浄・乾燥装置１４へ搬送され、試料の洗浄が行われる。その後試料は、元のカセット７へと戻る。

次に本発明に用いる誘導結合型プラズマ処理装置のプラズマ処理室９について説明する。図２において、プラズマ処理室９の内部は、プラズマ２３を形成するための石英もしくはアルミナの非導電性材料で成る放電部２６、被処理物である試料２４、電極２５が配置された真空処理部２８とから成る。真空処理部２８はアースに設置されており、電極２５は絶縁材を介して真空処理部２８に取り付けられる。放電部２６はプラズマ２３を生成するため、誘導結合アンテナ２２、インピーダンス整合器２７、第一の高周波電源２１等が取り付けられる。

本実施例は典型的な例として、放電部２６の外周にコイル状の誘導結合アンテナ２２を配置したプラズマ処理装置を使用した。プラズマ処理室９の内部には、ガス供給装置３３から処理ガスが供給される一方で、排気装置２９によって所定の圧力に減圧排気される。ガス供給装置３３によりプラズマ処理内部へ供給された処理ガスは、誘導結合アンテナ２２により発生する電界の作用によってプラズマ化される。

また、プラズマ２３中に存在するイオンを試料２４上に引き込むために、電極２５に第二の高周波電源３２によりバイアス電圧を印加する。試料２４は、静電吸着用電源３０によって電極２５に吸着・保持される。

電極２５は、上下動作する支持軸により支持されており、電極２５の温度を制御するために循環冷媒もしくはヒータの温度制御装置を有している。図２では、電極２５の温度制御のために、冷却装置３６と冷媒用配管３７を有している。

試料２４と電極２５の間には、ガス配管３４を介してヘリウムガス３８が導入され、試料２４と電極２５の隙間に溜まり、試料２４と電極２５の熱伝達によって試料２４の温度制御が行われる。なお、ヘリウムガス３８はマスフローコントローラ３９によって流量が制御され、圧力計によって試料２４と電極２５の間に溜まるヘリウムガス３８の圧力を常時監視している。

凹型へと変形した試料は、平面な下部電極を用いた場合、電極表面と試料の間に隙間が生じて、熱伝達に用いるヘリウムガスが漏れてしまい、試料を任意の温度に制御する事が困難となる。そこで、発明者は電極の外周部を高くすることを考えた。

図３に外周部を高くした電極５１の断面と試料を引用した場合を示す。図３のａのように凹型試料５３は電極５１の外周部と接触するため、熱伝達に用いるヘリウムガスを低減することが出来る。しかし、電極５１の中心部と凹型試料５３とでは空間が生じる。この空間が大きいと静電吸着用の電流が流れなくなるため、試料と電極５１は、吸着・保持が出来なくなる。

また、図３のｂのように試料は必ずしも反りが生じる訳では無い。たとえば成膜されないダミー試料（平らな試料５４）は平面なままである。そのため、電極５１の外周部が高すぎると前記同様、電極５１の中心部と平らな試料５４との空間が大きくなるため、電極５１への吸着・保持が出来なくなる。

また、図４に示すように、静電吸着力を維持させるために、電極５１の平面にヘリウムガスの通る溝を形成させることで、接地面積を大きくするようにした平坦な電極５１の場合、図４のｂに示すように、平らな試料５４が載置された場合はヘリウムガスを導入した際に、ヘリウムガスの圧力分布も均一化され、接着面積も大きくなるため、熱伝達、及び静電吸着を維持させることが出来る。

しかし、図４のａに示すように、凹型試料５３が載置された場合は、外周部に隙間が生じてしまい、ヘリウムガスがもれて、熱伝達が悪くなるという問題が生じる。そこで発明者は、試料の反りの有無に関わらず、静電吸着によって電極５１に試料を吸着・保持させるためには、電極５１の外周部は電極５１の中心部と比べて１０〜３０μｍの範囲で高くする事で改善できることを考案した。ここで、例えば半導体デバイスに用いられるＳｉ基板の試料は前記の製造工程を経たとしても、外周と内側で３０μｍ以上の高低差を生じるような凹型になることはほとんどない。

本発明の電極の構造を図５に示す。外周部の段差が、内側の段差よりも高くなっている。図５のａに示すように、凹型試料５３が載置された場合、内側の段差が低く、外側の段差が内側の段差よりも１０〜３０μｍの範囲で高くなっているため、電極５１の外周部は凹型試料５３の外周部と接触し、Ｈｅガスが漏れない。また、静電吸着において、電極５１と試料の間には静電吸着を可能にするために１０〜３０μｍの小さい段差を設けているため、静電吸着力、熱伝達共に維持させることが出来る。

図５のｂの、平らな試料５４が載置された場合でも、電極５１の外周部は平らな試料５４の外周部と接触し、また静電吸着を可能にするための段差が設けられているため、同様に静電吸着力、熱伝達共に維持させることが出来る。

また電極の外周部の幅は、小さすぎると試料との接触が点接触となるためヘリウムガスが漏れやすく、大きすぎると試料のより内側で接触するため、試料外周部と電極の間に隙間が生じる。よって、本実施例は外周部の幅を３ｍｍとしたが、２〜５ｍｍの範囲であれば適当である。

また、電極の外周部の表面状態は、粗すぎると試料との接触面積が少ないためヘリウムガスが漏れやすくなる。よって、電極の外周部の表面の粗さは、例えば、０．２〜０．８μｍの範囲の外周部以外の誘電体膜の表面粗さ以下であることが必要であり、とくに０．５μｍ以下が適している。

以上の電極構造により、試料の反りの有無に関わらず、静電吸着よる吸着・保持が可能で、且つヘリウムガスの漏れを低減することが成し遂げられた。

次に、図６を用いて電極の製造過程を示す。電極の製造方法には、２通りがある。第一は、図６のａに示すように平坦な電極基材５５の上に静電吸着膜５７を溶射し、その後マスキングを行いブラスト処理等で電極に凹凸を形成する方法である。第二は、図６のｂに示すように予め電極基材５５の寸法を外周部と中心部で１０〜３０μｍの段差をつけて加工し、その後、静電吸着膜５７を形成させる方法である。

プラズマ処理前において、試料の裏面に付着したゴミは、しばしば試料と共にプラズマ処理室まで搬送され、電極に付着する場合がある。そのため試料の吸着力低下やヘリウムガスの漏れを招いてしまう事がある。そこで発明者は、プラズマ処理前に自動的に窒素ガスブローで試料裏面に付着したゴミの除去、または自動的に水洗で試料裏面を洗浄し付着したゴミの除去を行ってから、プラズマ処理をする事を考えた。

本発明の例として、試料裏面の洗浄方法を用いたプラズマ処理手順を説明する。例えば、図１において、カセット台８に載置されたカセット７から大気搬送装置５により、試料を取り出し、洗浄・乾燥装置１４のホットプレート１２に搬送し、搬送装置１３にて洗浄カップ１１に搬送した後、試料の裏面の洗浄を行なう。ここで洗浄カップ１１は裏面を窒素ガスでブローできる機構、又は水洗洗浄を行う機構でもよい。

試料の裏面を洗浄した後は、搬送装置１３により洗浄カップ１１からホットプレート１２に搬送される。ホットプレート１２では、たとえば、前記の水洗洗浄によって試料裏面を洗浄した場合は、試料裏面に付着した水分を蒸発させ、その後、窒素ガスパージなどにより高温になった試料を冷却する。

その後、大気搬送装置５にて、試料はロードロック室３を介して、プラズマ処理室９へと搬送され、プラズマ処理を実施する。ここで、試料裏面の洗浄を行なうタイミングは、プラズマ処理前であればいつでもよい。試料裏面の洗浄を行った後、一旦カセット７に戻ってもよい。また、半導体デバイスの試料に限らず、プラズマ処理室９のクリーニング等に用いるダミー試料の裏面洗浄を行ってもよい。

以上の試料裏面の自動洗浄により、試料の吸着力低下やヘリウムガスの漏れを低減することが成し遂げられた。

１ プラズマ処理装置
２ 真空搬送装置
３ ロードロック室
４ アンロードロック室
５ 大気搬送装置
６ 大気ローダ
７ カセット
８ カセット台
９ プラズマ処理室
１０ 電極
１１ 洗浄カップ
１２ ホットプレート
１３ 搬送装置
１４ 洗浄・乾燥装置
２１ 第一の高周波電源
２２ 誘導結合アンテナ
２３ プラズマ
２４ 試料
２５ 電極
２６ 放電部
２７ インピーダンス整合器
２８ 真空処理部
２９ 排気装置
３０ 静電吸着用電源
３１ インピーダンス整合器
３２ 第二の高周波電源
３３ ガス供給装置
３４ ガス配管
３５ 圧力計
３６ 冷却装置
３７ 冷媒用配管
３８ ヘリウムガス
３９ マスフローコントローラ
５１ 電極
５３ 凹型試料
５４ 平らな試料
５５ Ｈｅ導入口
５６ 電極基材
５７ 静電吸着膜

Claims (6)

1. 内部にプラズマが生成される真空容器と、前記真空容器内に設けられ被加工試料を載置する下部電極と、前記被加工試料を前記下部電極に静電吸着させる吸着手段と、前記下部電極の載置面に前記被加工試料を静電吸着させる誘電体膜とを有し、前記プラズマにより、前記被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、
   前記下部電極の載置面の外周部は、前記外周部以外の載置面より高く、
   前記外周部の誘電体膜の表面粗さが前記外周部以外の誘電体膜の表面粗さ以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記載置面の外周部が、前記外周部以外の載置面より１０〜３０μｍ高いことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記載置面の外周部は、２〜５ｍｍの幅の領域であることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記外周部の誘電体膜の表面粗さが０．２〜０．８μｍであることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 内部にプラズマが生成される真空容器と、前記真空容器内に設けられ被加工試料を載置する下部電極と、前記被加工試料を前記下部電極に静電吸着させる吸着手段と、前記下部電極の載置面に前記被加工試料を静電吸着させる誘電体膜とを有し、前記プラズマにより、前記被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、
   被加工試料の裏面の水洗または窒素ガスのブローを実施して試料裏面のクリーニングを行う洗浄・乾燥装置と、洗浄・乾燥後の被加工試料を前記洗浄・乾燥装置から前記下部電極へ搬送する搬送装置とを備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項５のプラズマ処理装置において、前記搬送装置は、被加工処理試料を前記洗浄・乾燥装置のホットプレートと洗浄カップに搬送し、前記洗浄カップは搬送された前記被加工処理試料の裏面を水洗洗浄または窒素ガスのブローによる洗浄を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。

Images